永磁同步电动机—永磁无刷直流电动机的转矩波动

一、永磁无刷直流电动机的转矩波动概述

忽略工艺影响，永磁无刷直流电动机的转矩波动主要包括齿槽引起的齿槽转矩、电流换向引起的转矩波动、电磁因素引起的转矩波动、电枢反应引起的转矩波动。齿槽转矩已在第五章讨论，不再赘述。下面讨论后三项转矩波动。

1．电流换向引起的转矩波动

无刷直流电动机每经过一个导通状态，定子绕组中的电流就要进行一次换向，对电磁转矩产生一定的影响。这种相电流换向引起的电磁转矩波动称为换向转矩波动，后面将详细讨论。

2．电磁因素引起的转矩波动

电磁因素引起的转矩波动是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩波动。由于磁极间漏磁的影响，永磁磁场的极弧宽度通常小于实际极弧宽度，因此在相绕组的一个导通状态内，导通相绕组的所有导体并不总处于均匀磁场下，导致电磁转矩波动的产生。

一般情况下，永磁无刷直流电动机的极弧宽度较大，电磁因素引起的电磁转矩波动较小，有些情况下可以忽略。在电机设计时，一般取电机磁极的极弧系数尽量接近1，增加气隙磁场的平顶宽度，以减小电磁转矩波动。

3．电枢反应引起的转矩波动

电枢反应对转矩波动的影响主要体现在以下两个方面：①电枢反应使气隙磁场发生畸变，畸变的磁场与定子相绕组电流相互作用，使电机的电磁转矩随定、转子的相对位置的变化而波动；②相绕组刚刚导通时，电枢反应磁场去磁，每极磁通量减小；当相绕组电流即将关断时，电枢反应磁场助磁，每极磁通量增大，每极磁通量的这种快速变化也会引起电机转矩的波动。为减小因电枢反应引起的转矩波动，永磁体应设计为瓦片形或环形结构，也可将转子磁路设计得较饱和，增大电枢反应磁场路径的磁阻。

二、换向转矩波动分析

对于换向引起的转矩波动，诸多文献进行了分析和论述。参考文献〔 5 〕采用电流滞环控制方式，使不换向绕组的电流不变，从而使换向引起的转矩波动为零。参考文献［6 〕指出，即使控制不换向绕组的电流为恒定值，由于相感应电动势波形斜边的影响，同样会产生换向转矩波动。参考文献［7 〕 、 「 8 〕指出，换向转矩波动是换向时电机Y接绕组中性点电位突变造成的，可采用120 。导通区间内后600斩波的控制方法，以减小换向转矩波动，并且推导出了斩波占空比的计算公式。参考文献「 9 〕研究了4种PWM斩波模式对换向转矩波动的影响，并给出各种模式下的最佳斩波占空比。参考文献〔 5 〕一「 9 〕均以理想梯形波（平顶宽度为120 “电角度）相感应电动势为例进行分析讨论，但实际电机中由于永磁磁极的边缘效应、齿槽结构以及电机绕组的连接方式等因素的影响，电机相绕组的感应电动势并不是理想的梯形波，若以理想梯形波感应电动势为基础讨论换向转矩会带来一定偏差。

目前，方波气隙磁场的永磁无刷直流电动机应用十分广泛，换向转矩波动对电机的性能影响较大，因此，本节以两相导通星形三相六状态工作方式下的方波永磁无刷直流电动机为例分析换向转矩波动。

1．永磁无刷直流电动机的换向转矩分析

电机运行时，每个状态有两个运行区域：导通运行区域和换向运行区域。在导通运行区域内，定子绕组有两相导通；在换向运行区域内，三相定子绕组（电流上升相、电流衰减相、不换向相）中都有电流，但时间很短。导通运行区域和换向运行区域出现的周期为600电角度。

2．换向转矩波动产生的原因

在图7一24 ( b）所示的换向过程中，b两相构成续流回路，回路电流与b相绕组的续山Pa流电流相等。由于续流时间很短，可近似认为续流时间内相绕组感应电动势不变。则由式（7一55）可求得续流回路的电流表达式为。

3．换向转矩波动的影响因素

由上述分析可知，换向转矩波动与相绕组旋转电动势波形、换向位置角和换向时刻的相电流初值有关，下面分别讨论。

( 1）换向转矩波动与相绕组旋转电动势波形的关系。

( 2）换向转矩波动与换向位置角的关系。

( 3）换向时相绕组电流初值与换向转矩波动的关系。

( 4）转速对换向转矩波动的影响

( 5）绕组电感对换向转矩波动的影响